基于FBG 傳感器技術的冶金起重機健康監測系統研究及工業應用

吳光照

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

冶金起重機工作環境相對較為惡劣，并且其工作負荷較大，需要頻繁制動啟動，這也使起重機的鋼結構容易出現疲勞失效情況，具有極大的危險性。因此對冶金起重機進行健康監測是提高冶金產業的生產安全性的重要手段[1]。但目前我國在起重機健康狀態監測過程中主要應用電阻應變監測系統，該系統雖然具有較高的監測準確度，但壽命相對較短，容易受到外界環境的影響。因此研究一種壽命長，精度高的監測系統也成為冶金行業發展的關鍵[2]。

1 冶金起重機健康監測系統整體設計方案

本次設計的冶金起重機健康監測系統主要用于長期遠程監測冶金起重機的結構健康狀態，并且系統需要具備冶金起重機運行狀態信息的分析處理能力，同時能夠根據異常信息數據進行報警處理，進而提高對起重機的管理效果，延長起重機的使用壽命。

為了實現上述功能，在冶金起重機健康監測系統整體設計當中需要包含有以下四個模塊：光纖布拉格光柵（FBG）傳感模塊、數據采集模塊、數據傳輸模塊以及數據處理模塊。

2 硬件部分設計

2.1 FBG 傳感模塊設計

在冶金起重機健康監測系統當中，傳感模塊是其中的核心部件，其監測精度和性能直接決定著監測結果的準確性，因此本次選用FBG 傳感器作為傳感模塊的核心。在實際的應用過程中，由于冶金環境較為惡劣，這會加快FBG 傳感器的老化速度，進而影響其監測性能。針對此種情況，在本次設計當中采用TC4鈦合金對其進行封裝，TC4 鈦合金不僅具有良好的耐腐蝕性，該種材料也具有良好的韌性和焊接性能，能夠較好地滿足傳感器的封裝要求，封裝粘合劑選用環氧樹脂。本次所設計的FBG 傳感模塊可直接焊接在冶金起重機鋼結構表面。

2.2 數據采集模塊設計

綜合當前解調技術，本次研究結合冶金起重機使用情況以及FBG 傳感模塊選用可調諧F-P 濾波法，以此來實現傳感器的解調，該種解調方式不僅具有較高的精度，并且成本相對較低，體積較小。因此，本次選用GTS-ASHM-100 高性能光纖光柵傳感解調設備，該調解設備具有良好的環境適應能力，在實際應用當中主要以FPGA 作為整個采集模塊的中央處理單元，該處理單元能夠滿足冶金起重機健康監測時的大數據要求，同時也能實現長時間在線監測功能。本次所選用的解調系統參數如表1 所示。

表1 GTS-ASHM-100 解調設備具體參數

2.3 數據傳輸模塊設計

本次所設計的冶金起重機健康監測系統主要目的是實現對起重機的健康狀態的遠程監測，因此需要根據實際應用情況建立完善的信息傳輸系統。在具體設計當中，本次系統主要采用GPRS 網絡作為無線傳輸模塊主體，該技術具有傳輸效率高，成本低的優點。因此，具體數據傳輸模塊采用CM3180DT，該無線傳輸模塊是基于ARM9 設計生產的，能夠實現各種協議數據的高速轉化處理，工作溫度在-40~80 ℃之間，能夠滿足冶金工業環境的要求。

模塊選用完成之后，需要將GTS-ASHM-100 解調設備的RS232 串口與CM3180DT 終端相連接，冶金起重機狀態信息也會通過串口傳輸至無線傳輸模塊當中，而后相關數據會轉換為TCP/IP 數據包，之后經過GPRS 無線網絡傳輸至監測顯示用戶端，整個數據傳輸系統形成了冶金起重機的數據傳輸網絡系統。

3 軟件部分設計

冶金起重機健康監測系統軟件設計主要目的是對傳感器監測到的信號進行后期的處理，從而在顯示界面顯示出起重機應變應力等信息，同時起到報警功能。本次冶金起重機健康監測系統軟件設計主要包含有六部分，分別為用戶信息部分、設備設置部分、信息儲存管理部分、顯示部分、輸入輸出部分以及說明部分。不同的部分包含有不同的子模塊，其中用戶信息部分主要作用用于存放用戶的個人信息等；設備設置部分主要作用是對傳感器等設施進行設置，確定報警界限；信息儲存管理部分主要用于儲存傳感器監測到的具體數據；顯示部分主要用于顯示監測到的信息狀態；輸入輸出部分主要用于信息數據的傳輸；說明部分是對系統的功能進行說明和指導。為了實現起重機健康監測效果，本次軟件邏輯流程設計如下所示：首先在系統啟動后，中央控制模塊會與數據庫進行連接，連接成功后與服務器連接，之后由工作人員根據冶金起重機的實際工作情況設置傳感器的監測報警參數，設置完成后整套系統進行自動監測。監測后得到的數據信息存入到數據庫當中，同時利用CM3180DT 數據傳輸模塊將相關信息傳輸至用戶端顯示界面，中控系統對傳輸回的信息進行判定，如果其數值超出先前設定的正常范圍則在用戶界面發出報警信號；如果處于正常范圍值內則持續監測。

4 基于FBG 傳感器技術的冶金起重機健康監測系統實驗驗證

4.1 實驗設備

本次實驗主要目的是驗證冶金起重機健康監測系統的運行穩定性和可靠性，為了確保實驗結果具有指導意義，實驗起重機材質采用Q235B，并且在實驗起重機上安裝有軌道小車系統，能夠模擬起重機在運行過程中梁內應力的變化，同時在相應位置上安裝有振動電機，模擬起重機在運行過程中的振動狀態。

具體實驗設備包含有PC 機、SIM手機卡（實現無線網絡數據傳輸）、FBG 傳感器、電阻應變計、電阻應變解調儀。

4.2 傳感器設置位置的選擇

不同結構起重機的承載方式有著較大的差異，這也導致整個起重機受力存在著一定的差別，因此在實際監測過程中應當了解起重機的應力集中點。本次研究利用有限元分析對典型工況下實驗冶金起重機的應力分布進行計算，確定應力集中位置和關鍵部位，以此作為傳感器的布置點。經過模擬分析將傳感器布置點設置在主梁的1/4、1/2、3/4 處，同時在左、右支腿處設置FBG 傳感器以及電阻傳感器。

4.3 實驗結果

打開冶金起重機健康監測系統后，啟動實驗冶金起重機，通過小車在主梁上的往復運動模擬起重機工作狀態，監測結果表明5 個監測通道數據均能夠正常傳輸，并且利用FBG 傳感器監測得到的數據結果與電阻應變片所監測到的結果基本一致。由于模擬試驗機主梁較細，在實際運行過程中應變較大，本文由于篇幅有限選取典型應變力變化位置進行分析，具體選取位置有主梁的1/2、3/4 處，以及實驗冶金起重機左腿處，該位置的應變力變化趨勢如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 主梁1/2 處應變時序

圖3 左支腿處應變時序

由圖1、圖2、圖3 可知，在起始階段起重機應變傳感器監測數值為0，符合實際情況，小車從左端運行至右端和從右端運行至左端用時均為86 s。從圖1可知，在小車運動過程中，到達跨中主梁1/2 處應變最大，到達兩端時該處應變接近0，應變趨勢呈現中軸對稱形式，小車運動過程中在中軸兩側對應位置處應變基本相似，這與實際情況相符；由圖2 可知，在小車運動過程中，到達主梁3/4 處，此時該處應變最大，當小車運行至最左端主梁3/4 處應變接近0，當運行至最右端主梁3/4 處應變為22 με，整體呈現中軸對稱形式，這與實際情況相符；由圖3 可知，在小車運動過程中左腿應變處于負值狀態，并且呈現良好的對稱性，此種情況與理論和實際情況相符。經過實驗研究證明，基于FBG 傳感器技術的冶金起重機健康監測系統具有良好的監測性能。

5 工業實測上的應用研究

本次測試主要以某煉鋼廠200 t 起重機為例，其最大起升高度30 m。起升機構最大速度為12.3 m/min。在測試過程中，由于起重機工作環境相對復雜，因此選用并聯的方式連接FBG 傳感器，避免其中某個傳感器出現問題對其他傳感器產生影響。傳感器設置位置主要有主梁、支腿兩部分，FBG 傳感器設置位置處安裝有電阻應變器。

經過測試研究發現，由基于FBG 傳感器技術的冶金起重機健康監測系統所測得的應變曲線與電阻應變器所測的曲線走勢一致，對應時間應變非常接近，這也表明該系統具有良好的應變監測效果，并且在現場也有良好的應用效果。

6 結論

1）根據冶金起重機的工作狀態提出基于FBG 傳感器技術的健康監測系統設計方案，并分析每一個模塊的具體功能。

2）對監測系統的軟件部分進行設計，詳細分析了系統工作流程。

3）通過實驗驗證基于FBG 傳感器技術的冶金起重機健康監測系統的可靠性和準確性，實驗結果表明該系統監測結果與常規電阻應變測量系統結果一致，并且該系統測量結果也與設備運行過程中應變變化理論和實際趨勢相符。